«Они создали перезаряжаемый мир» — так был озаглавлен пресс-релиз нобелевского комитета, в котором сообщалось о присуждении премии по химии Стэнли Уиттингему, Джону Гуденафу и Акире Ёсино. Эти люди изобрели литий-ионные аккумуляторы — и фактически сделали возможным создание любых портативных устройств: ноутбуков, смартфонов, планшетов, роботов-пылесосов и даже электромобилей.
Столбы творения
Если воткнуть в картофелину с одной стороны медный гвоздь, а с другой — оцинкованный, то по натянутому между ними проводу будет течь ток. Конечно, слабенький, но все же электрический. Овощи и фрукты можно брать разные — подойдут яблоки или лимоны. Вместо гвоздей можно взять что-нибудь бронзовое или алюминиевое. Подобные опыты популярны в школьной практике, потому что наглядно показывают, как работает химический источник тока (ХИТ). Для этого нужен катод, анод и электролит. Электрический ток возникает как результат окислительно-восстановительной реакции и течет от анода к катоду.
Первый ХИТ построил Алессандро Вольта, который погрузил в серную кислоту медную и цинковую пластины с прикрепленной к ним проволокой. Собрав несколько таких элементов, физик получил вольтов столб — первую в мире батарею. По принципу вольтова столба работают так называемые гальванические элементы, названные в честь Луиджи Гальвани — итальянского физиолога и физика, впервые обнаружившего, что при контакте металла и электролита возникает ток.
В процессе работы вольтов столб и подобные ему ХИТ расходуют реагенты. Когда последние заканчиваются, заканчивается и срок службы гальванического элемента. Это первый недостаток, который знаком, например, каждому автолюбителю, которому приходится периодически менять аккумуляторную батарею. Второй недостаток заключается в том, что такие элементы очень громоздкие и тяжелые. Поэтому первые мобильные телефоны были такими большими и неудобными — за ними приходилось таскать огромную батарею.
Решить первую из этих проблем смог немецкий физик и химик Иоганн Риттер. Он составил башенку из пятидесяти медных кружочков, между которыми положил кусочки влажной ткани. Подведя к своей башенке электричество от вольтова столба, Риттер обнаружил, что его конструкция сама стала источником тока. Таким образом, физик получил первый в мире аккумулятор, который можно было подзаряжать.
Хотя принцип был понятен, на протяжении полутора веков не удавалось создать достаточно емкий, мощный и легкий источник питания, и это ограничивало инженеров в производстве портативных устройств.
На фоне нефтяного кризиса
1970-е годы были неспокойны. Один из самых крупных нефтяных кризисов разразился в 1973 году. Тогда арабские страны — члены ОПЕК и примкнувшие к ним Египет и Сирия отказались поставлять нефть в страны Запада в знак протеста против поддержки Израиля в Войне Судного дня. Второй похожий кризис разразился в 1979 году, когда в Иране, крупном экспортере нефти, произошла исламская революция, а в США президент Джонни Картер отменил государственное регулирование цен на нефть.
На этом фоне инженеры искали альтернативные источники энергии. Стенли Уиттингем, сотрудник компании Exxon, экспериментировал с перезаряжаемыми аккумуляторами. Для изготовления анода он использовал литий, а для катода взял дисульфид титана. Аккумулятор имел приемлемые характеристики, создавая напряжение два вольта, но с безопасностью возникли проблемы. Батареи периодически загорались и взрывались. Металлический литий, попадая на влажную кожу, вызывал ожоги, а дисульфид титана, взаимодействуя с кислородом, образовывал сероводород. Проблемой была и цена титана. Поэтому Exxon сочла проект бесперспективным и свернула исследования.
Однако применение металлического лития и сульфидов было признано инженерным сообществом перспективным.
Взорвавшаяся печь и ее значение для науки
Параллельно с исследованиями Уиттингема в Оксфордском университете работала группа под руководством профессора Джона Гуденафа. Они также пытались найти решение проблем литиевых источников энергии, экспериментируя с сульфидами. Для того чтобы производить материалы прямо на месте, ученые заказали себе печь, которая позволяла создавать необходимые соединения в лаборатории. В один прекрасный для всего человечества и наверняка весьма хлопотный для оксфордских ученых день печь взорвалась и вызвала серьезный пожар.
Катастрофа отбила у исследователей желание заниматься сульфидами и сместила фокус их внимания в сторону оксидов — значительно более безопасных и простых в производстве соединений. Кроме того, ученые посмотрели на проблему под другим углом: они стали искать металл, который не активно поглощает ионы лития, а способствует тому, чтобы литий отдавал ионы. Результатом их работы стало создание кобальтита лития — LiCoO2. Такие аккумуляторы создавали в два раза большее напряжение по сравнению с элементами Уиттингема. Однако оставалась проблема, которую не удалось решить. Возвращаясь во время зарядки, ионы лития ложились на анод не ровным слоем, а разрастались в цепочки, так называемые дендриты. Это приводило к коротким замыканиям и взрывам, что ставило крест на возможности широкого применения.
Графитовый стержень
Последнюю проблему решил марокканский инженер и ученый Рашид Язами. Он использовал не металлический литий, а графитовый электрод, в который были вставлены ионы лития. Такой процесс называется интеркаляцией, и он позволил сделать аккумуляторы более пожаробезопасными.
Используя решение Язами, японский ученый Акира Ёсино сделал последний шаг к внедрению литий-ионных аккумуляторов в производство. Он внес в конструкцию несколько усовершенствований, в частности, придумал функциональную мембрану-сепаратор, которая препятствовала обратному переносу ионов. Усовершенствования Ёсино позволили увеличить напряжение и емкость батарей, снизив при этом их цену.
Инженеры экспериментируют с различными материалами, однако литий-кобальтовые аккумуляторы все еще имеют самую высокую емкость, поэтому почти безальтернативно используются в портативных гаджетах. Впрочем, такие батареи имеют свои недостатки, поэтому исследования в области литий-ионных аккумуляторов продолжаются.